DE102009040523A1 - Thermal engine for driving e.g. generator, has energy storage arranged at rotor, where energy storage is chargeable in heat source by changing shape of shape memory element and dischargeable at peripheral position outside of heat source - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit einem um eine Drehachse rotierbaren Rotor, umfassend mindestens ein Formgedächtniselement, das durch Rotieren des Rotors zwischen mindestens einer Wärmequelle und mindestens einer Wärmesenke verstellbar ist.The invention relates to a heat engine with a rotatable about a rotation axis rotor, comprising at least one shape memory element which is adjustable by rotating the rotor between at least one heat source and at least one heat sink.
Bei Formgedächtnislegierungen ist die Voraussetzung für das Auftreten des so genannten Formgedächtniseffektes, dass eine reversible und diffusionslose austenitisch-martensitische Phasenumwandlung stattfindet. Dabei wird üblicherweise die Hochtemperaturphase als Austenit und die Niedertemperaturphase als Martensit bezeichnet. Die diffusionslos ablaufende martensitische Umwandlung stellt im Wesentlichen eine bei der Abkühlung auftretende Scherung des Austenitgitters dar. Eine Form des Formgedächtniseffektes ist der so genannte Einwegeffekt, bei dem durch eine Erwärmung der Formgedächtnislegierung eine zuvor thermomechanisch eingeprägte Gestalt wiederhergestellt wird. Wird ein Bauteil aus einer Formgedächtnislegierung im martensitischen Zustand im Bereich unterhalb eines kritischen Verformungsgrades bleibend verformt, so findet eine Martensitverformung durch Verschieben von hochbeweglichen Zwillingsgrenzen statt. Dieser Vorgang ist reversibel. Da beim Einwegeffekt eine Abkühlung des Bauteils keine weitere Verformung mit sich bringt, spricht man vom Einwegeffekt – um den Effekt zu wiederholen, muss der Martensit erneut unter Krafteinwirkung verformt werden. Neben dem Einwegeffekt gibt es den so genannten Zweiwegeffekt. Bauteile mit Zweiwegeffekt können sich nicht nur an eine Hochtemperaturform „erinnern”, sondern auch an eine bestimmte Form in der Niedertemperaturphase. Im Gegensatz zum Einwegeffekt kommt es auch im nicht-mechanisch belasteten Zustand während der Gittertransformation zu einer makroskopischen Formänderung. Das Material erinnert sich sowohl an seine Form im austenitischen als auch im martensitischen Gefüge.In the case of shape memory alloys, the prerequisite for the occurrence of the so-called shape memory effect is that a reversible and diffusionless austenitic-martensitic phase transformation takes place. In this case, the high-temperature phase is usually referred to as austenite and the low-temperature phase as martensite. The diffusionless martensitic transformation essentially represents a shearing of the austenitic lattice that occurs during cooling. One form of the shape memory effect is the so-called one-way effect, in which a previously thermomechanically embossed shape is restored by heating the shape memory alloy. If a component made of a shape memory alloy in the martensitic state is permanently deformed in the region below a critical degree of deformation, martensite deformation takes place by shifting highly mobile twin boundaries. This process is reversible. Since the one-way effect of a cooling of the component no further deformation brings with it, one speaks of the one-way effect - to repeat the effect, the martensite must be deformed again under force. In addition to the one-way effect, there is the so-called two-way effect. Two-way effect components can not only "remember" a high temperature shape, but also a particular shape in the low temperature phase. In contrast to the one-way effect, there is a macroscopic change in shape even during the non-mechanically loaded state during the lattice transformation. The material is reminiscent of both its shape in the austenitic and in the martensitic structure.
Auf dem Einwegeffekt beruht das Funktionsprinzip einer so genannten Schrägscheiben-Wärmekraftmaschine. Diese ist in der im Expertverlag erschienenen Ausgabe „Formgedächtnislegierungen”, Band 655 der Reihe „Kontakt & Studium” erschienen. Die an der FH-Konstanz entwickelte Schrägscheiben-Wärmekraftmaschine stellt ein Motorenprinzip dar, welches mittels Formgedächtnismetallen Niedertemperaturwärme in mechanische Energie umwandeln kann. Die Maschine besteht aus einer Vielzahl von Formgedächtnisdrähten (Formgedächtniselementen), die zwischen zwei zueinander geneigten Scheiben über den Umfang verteilt befestigt sind. Die Scheiben wiederum sind auf zwei separat gelagerten Wellen fixiert, die über ein Kardangelenk miteinander verbunden sind. Die Maschine ist in eine Wärmequelle und in eine Wärmesenke aufgeteilt. Die Formgedächtniselemente stellen den Antrieb dar, in dem sie abwechselnd erwärmt und gekühlt werden. Dabei werden sie ausschließlich auf Zug beansprucht. Innerhalb der Wärmesenke, in der die Drähte im martensitischen Zustand vorliegen und damit „weich” sind, werden sie durch Schrägstellung der Scheibe unter geringer Spannung ausgedehnt. Der Winkel der geneigten Scheibe ist dabei so eingestellt, dass die Drähte um bis zu 5% gelängt werden. Innerhalb der Wärmequelle ziehen sich die Formgedächtnisdrähte wieder zusammen, wobei sie auf die beiden Scheiben eine Kraft ausüben. Es resultiert eine in tangentialer Richtung wirkende Kraft, die für die Rotation der Maschine sorgt.The one-way effect is based on the principle of operation of a so-called swashplate heat engine. This has appeared in the edition published in the Expertverlag "shape memory alloys", Volume 655 series "Contact & study". The swashplate heat engine developed at the FH Konstanz represents an engine principle which can transform low-temperature heat into mechanical energy by means of shape-memory metals. The machine consists of a plurality of shape memory wires (shape memory elements) which are mounted distributed between two mutually inclined discs over the circumference. The discs in turn are fixed on two separate shafts, which are connected to each other via a universal joint. The machine is divided into a heat source and a heat sink. The shape memory elements are the drive in which they are alternately heated and cooled. They are claimed only on train. Within the heat sink, in which the wires are in the martensitic state and thus are "soft", they are expanded by tilting the disc under low tension. The angle of the inclined disc is adjusted so that the wires are elongated by up to 5%. Within the heat source, the shape memory wires contract again, exerting a force on the two discs. The result is a force acting in the tangential direction, which ensures the rotation of the machine.
Die bekannte Wärmekraftmaschine hat sich bewährt – jedoch ist deren Wirkungsgrad vergleichsweise gering, da lediglich etwa 3% der Verformungsenergie der Formgedächtniselemente in Rotationsenergie umgewandelt werden. Darüber hinaus ist der Aufbau vergleichsweise komplex und es bestehen aufgrund der hohen wirkenden Axialkräfte höchste Anforderungen an das notwendige Kardangelenk, welches die beiden Scheiben zueinander abwinkelt.The known heat engine has been proven - but their efficiency is relatively low, since only about 3% of the deformation energy of the shape memory elements are converted into rotational energy. In addition, the structure is relatively complex and there are due to the high-acting axial forces highest demands on the necessary universal joint, which angles the two discs to each other.
Neben dem zuvor beschriebenen Stand der Technik sind in der
Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine rotatorisch arbeitende Wärmekraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad anzugeben. Bevorzugt soll sich die Wärmekraftmaschine durch einen vereinfachten Aufbau auszeichnen. Darüber hinaus besteht die Aufgabe darin, ein System, umfassend eine entsprechend optimierte Wärmekraftmaschine und eine von der Wärmekraftmaschine angetriebene Vorrichtung, anzugeben.Based on the aforementioned prior art, the present invention seeks to provide a rotationally operating heat engine with high efficiency. Preferably, the heat engine should be characterized by a simplified structure. Moreover, the object is to provide a system comprising a correspondingly optimized heat engine and a device driven by the heat engine.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Wärmekraftmaschine dadurch gelöst, dass dem Formgedächtniselement mindestens ein am Rotor angeordneter Energiespeicher zugeordnet ist, der in der Wärmequelle durch die Formänderung des Formgedächtniselementes aufladbar ist und an einer definierten Umfangsposition außerhalb der Wärmequelle entladbar ist.This object is achieved in a generic heat engine, characterized in that the shape memory element is associated with at least one arranged on the rotor energy storage, which is chargeable in the heat source by the change in shape of the shape memory element and at a defined circumferential position outside the heat source is discharged.
Hinsichtlich des Systems wird die Erfindung durch den Einsatz einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Wärmekraftmaschine gelöst.With regard to the system, the invention is achieved by the use of a trained according to the concept of the invention heat engine.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims. In the context of the invention, all combinations of at least two of in the description, the Claims and / or the figures disclosed features. In order to avoid repetition, features disclosed according to the device should be regarded as disclosed according to the method and be able to be claimed. Likewise, according to the method disclosed features should be considered as device disclosed and claimed claimable.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dem mindestens einen rotierbar angeordneten Formgedächtniselement einen, vorzugsweise mechanischen, Energiespeicher zuzuordnen, der es erlaubt, die bei der Formänderung, vorzugsweise beim Zusammenziehen, des Formgedächtniselementes in der Wärmesenke freiwerdende Energie zu speichern, so dass diese in Umfangsrichtung weiter transportiert werden kann, nämlich aus der Wärmesenke, die die Formänderung des Formgedächtniselementes bewirkt hat, heraus, um an mindestens einer definierten Umfangsposition entladen zu werden. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass der Wirkungsgrad einer auf dem Formgedächtniseffekt beruhenden Wärmekraftmaschine dadurch wesentlich erhöht werden kann, dass nicht wie im Stand der Technik eine in tangentialer Richtung wirkende Kraftkomponente verwertet bzw. genutzt wird, sondern eine in Formänderungsrichtung des Formgedächtniselementes wirkende Kraftkomponente. Durch das Zwischenspeichern der bei der Formänderung, vorzugsweise beim Zusammenziehen, des Formgedächtniselementes freiwerdenden Energie ist diese plötzlich transportierbar und kann an einer definierten Umfangsposition, vorzugsweise impulsartig, insbesondere in einer Linearbewegung, entladen werden. Anders ausgedrückt kann der Energiespeicher im aufgeladenen Zustand verharren, obwohl das diesem zugeordnete, mindestens eine Formgedächtniselement bereits wieder in der Wärmesenke entspannt bzw. gelängt wurde. Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante der Wärmekraftmaschine, bei der diese nicht ein einziges Formgedächtniselement aufweist, sondern eine Vielzahl von, insbesondere gleichmäßig über den Umfang des Rotors verteilt angeordneten, Formgedächtniselementen, wobei noch weiter bevorzugt mehreren der Formgedächtniselemente, vorzugsweise sämtlichen Formgedächtniselementen, ein Energiespeicher (Zwischenspeicher) zugeordnet ist, wobei der Energiespeicher die zwischengespeicherte Energie, insbesondere in Form von Bewegungsenergie, zeitlich versetzt an der definierten Umfangsposition, insbesondere impulsartig, abgibt. Es ist auch denkbar, dass die zwischengespeicherte Energie an mindestens zwei unterschiedlichen Umfangspositionen, insbesondere impulsartig, freigegeben wird. Noch weiter bevorzugt ist es, wenn die an der mindestens einen definierten Umfangsposition, vorzugsweise in einer Linearbewegung, freigegebene Energie umgewandelt wird in eine andere Energieform und/oder Bewegung, insbesondere in eine Rotationsbewegung und/oder in elektrische Energie. Hierzu sind der mindestens einen definierten Umfangsposition bevorzugt entsprechende Mittel, beispielsweise ein Kurbelantrieb und/oder ein Generator, etc. zugeordnet.The invention is based on the idea of assigning to the at least one rotatably arranged shape memory element a, preferably mechanical, energy store which allows the energy released during the change in shape, preferably during contraction, of the shape memory element to be stored in the heat sink so that it continues in the circumferential direction can be transported, namely out of the heat sink, which has caused the change in shape of the shape memory element out to be discharged at least one defined circumferential position. In this case, the invention is based on the finding that the efficiency of a heat engine based on the shape memory effect can be substantially increased by not utilizing or utilizing a force component acting in the tangential direction as in the prior art, but rather a force component acting in the direction of deformation of the shape memory element , By temporarily storing the energy released during the change in shape, preferably when contracting, the shape memory element is suddenly transportable and can be discharged at a defined peripheral position, preferably in a pulse-like manner, in particular in a linear movement. In other words, the energy storage can remain in the charged state, although the associated therewith, at least one shape memory element has already been relaxed or lengthened again in the heat sink. An embodiment variant of the heat engine in which the latter does not have a single shape memory element but a plurality of shape memory elements, in particular uniformly distributed over the circumference of the rotor, is even more preferred. More preferably, the shape memory elements, preferably all shape memory elements, are an energy store. Latch) is assigned, wherein the energy storage, the temporarily stored energy, in particular in the form of kinetic energy, offset in time at the defined circumferential position, in particular pulse-like outputs. It is also conceivable that the cached energy at at least two different circumferential positions, in particular pulse-like, is released. It is even more preferable for the energy released at the at least one defined circumferential position, preferably in a linear movement, to be converted into another form of energy and / or movement, in particular into a rotational movement and / or into electrical energy. For this purpose, the at least one defined circumferential position are preferably assigned corresponding means, for example a crank drive and / or a generator, etc.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Umfangsposition, an der sich die Energiespeicher entladen, unmittelbar – in Umfangsrichtung betrachtet – vor der Wärmequelle angeordnet ist, so dass der Energiespeicher nach dem Entladen durch Eintauchen des mindestens einen ihm zugeordneten Formgedächtniselementes in die Wärmequelle wieder aufgeladen wird.It is particularly preferred if the circumferential position at which the energy storage discharges, immediately - viewed in the circumferential direction - is arranged in front of the heat source, so that the energy storage is recharged after discharging by immersing the at least one shape memory element associated with it in the heat source ,
Die hier vorgeschlagene Wärmekraftmaschine ist nicht auf eine Ausführungsvariante beschränkt, bei der diese nur mit einer einzigen Wärmequelle und mit einer einzigen Wärmesenke versehen ist. Insbesondere in Abhängigkeit des Durchmessers des Rotors können dem Rotor mehrere Wärmequellen und Wärmesenken zugeordnet sein, wobei es bevorzugt ist, wenn Wärmesenken und Wärmequellen in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind.The heat engine proposed here is not limited to a variant in which it is provided with only a single heat source and with a single heat sink. In particular, depending on the diameter of the rotor, the rotor can be associated with a plurality of heat sources and heat sinks, wherein it is preferred if heat sinks and heat sources are arranged alternately in the circumferential direction.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Wärmekraftmaschine besteht darin, dass diese wesentlich einfacher aufgebaut werden kann, da auf das Vorsehen zweier winklig zueinander angeordneter Wellen und damit auf ein zwischen den Wellen angeordnetes Gelenk, beispielsweise ein Kardangelenk, verzichtet werden kann.A further significant advantage of a heat engine designed according to the concept of the invention is that it can be constructed much simpler, since the provision of two shafts arranged at an angle to one another and thus to a joint arranged between the shafts, for example a universal joint, can be dispensed with.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass dem Energiespeicher des mindestens einen Formgedächtniselementes Blockiermittel zugeordnet sind, die ein Energieentladen des Energiespeichers vor Erreichen der definierten Umfangsposition verhindernd ausgebildet sind. Ist der Energiespeicher beispielsweise als Feder, insbesondere als Schraubenfeder, ausgebildet, so halten die Blockiermittel die Feder so lange im bespannten, vorzugsweise komprimierten, Zustand, bis die definierte Umfangsposition erreicht ist, an der sich der Energiespeicher entladen soll. Ganz besonders bevorzugt sind die Blockiermittel derart ausgebildet, dass diese ein Entladen des Energiespeichers kurz vor dem Eintauchen des diesem zugeordneten Formgedächtniselementes in die Wärmequelle ermöglichen. Dies kann beispielsweise durch das Vorsehen einer Stützbahn vorgesehen werden, die sich in Umfangsrichtung erstreckt, und an der sich die Energiespeicher zum Verhindern einer Entladung axial abstützen. Dabei sollte diese Stützbahn bevorzugt kurz vor Erreichen der Wärmequelle enden oder ihre Form derart verändern, dass der Energiespeicher entladen wird.In a further development of the invention is advantageously provided that the energy storage of the at least one shape memory element is associated with blocking means which are designed to prevent energy discharge of the energy storage before reaching the defined circumferential position. If the energy store is designed, for example, as a spring, in particular as a helical spring, then the blocking means hold the spring in the tensioned, preferably compressed, state until the defined circumferential position at which the energy store is to be discharged is reached. Most preferably, the blocking means are designed such that they allow a discharging of the energy storage just before immersing the shape memory element associated therewith in the heat source. This may be provided, for example, by the provision of a support track which extends in the circumferential direction and on which the energy stores are supported axially to prevent discharge. In this case, this support web should preferably end shortly before reaching the heat source or change its shape such that the energy storage is discharged.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante der Wärmekraftmaschine, bei der der, insbesondere mechanische, Energiespeicher ein Federelement umfasst oder aus einem Federelement besteht. Dabei ist sowohl eine Ausführungsform realisierbar, bei der die Feder durch Zusammenziehen des Formgedächtniselementes komprimiert wird, als auch eine Ausführungsform, bei der die Feder durch Zusammenziehen des Formgedächtniselementes gelenkt wird. Wesentlich ist lediglich, dass ein Spannen, d. h. ein Aufladen des Energiespeichers durch Zusammenziehen des mindestens einen Formgedächtniselementes innerhalb der Wärmequelle resultiert.Very particular preference is given to a variant of the heat engine in which the, in particular mechanical, energy storage Spring element comprises or consists of a spring element. In this case, both an embodiment can be realized in which the spring is compressed by contraction of the shape memory element, as well as an embodiment in which the spring is deflected by contraction of the shape memory element. It is only essential that a tensioning, ie a charging of the energy storage by contraction of the at least one shape memory element within the heat source results.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante, bei der die Spannbewegung des Federelementes, zumindest näherungsweise, linear verläuft, ganz besonders bevorzugt, zumindest näherungsweise, vorzugsweise exakt, parallel zur Drehachse des Rotors.Very particularly preferred is a variant in which the clamping movement of the spring element, at least approximately, linear, very particularly preferably, at least approximately, preferably exactly, parallel to the axis of rotation of the rotor.
Besonders zweckmäßig im Hinblick auf die Realisierung eines möglichst einfachen Aufbaus und die Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades ist es, wenn das mindestens eine dem mindestens einen Energiespeicher zugeordnete Formgedächtniselement als langgestrecktes Element, insbesondere als Draht, ausgebildet ist oder mindestens einen Draht umfasst bzw. sich aus mehreren Drähten zusammensetzt und parallel zur Drehachse des Rotors erstreckt, zumindest im gespannten Zustand, d. h. innerhalb der Wärmequelle. Besonders zweckmäßig ist es, wenn dem Formgedächtniselement eine, eine, vorzugsweise wesentlich, geringere Federkonstante als die Federkonstante der Feder des Energiespeichers aufweisende Spannfeder zugeordnet ist, die dafür sorgt, dass das Formgedächtniselement im entspannten Zustand, d. h. innerhalb der Wärmesenke, zumindest etwas mechanisch gespannt wird, um ein unkontrolliertes „Herumflattern” während der bevorzugt schnellen Rotationsbewegung des Rotors zu vermeiden.It is particularly expedient with regard to the realization of the simplest possible structure and the achievement of optimum efficiency, if the at least one energy storage element associated with the shape memory element as an elongated element, in particular as a wire, or at least one wire comprises or consists of several Composed wires and extends parallel to the axis of rotation of the rotor, at least in the tensioned state, d. H. inside the heat source. It is particularly useful if the shape memory element is associated with a, preferably substantially, lower spring constant than the spring constant of the spring of the energy store having tension spring, which ensures that the shape memory element in the relaxed state, d. H. within the heat sink, at least somewhat tensioned mechanically to avoid an uncontrolled "fluttering" during the preferably fast rotational movement of the rotor.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Formgedächtniselement zwischen zwei parallelen, sich quer zur Drehachse des Rotors erstreckenden, beispielsweise scheiben- und/oder ringförmigen Halteelementen angeordnet ist, wobei die Halteelemente in Richtung der Längserstreckung der Drehachse des Rotors zueinander beabstandet sind. Auf die Schrägstellung eines der Halteelemente wie bei der bekannten Schrägscheiben-Wärmekraftmaschine kann mit Vorteil verzichtet werden.It is particularly useful if the shape memory element between two parallel, extending transversely to the axis of rotation of the rotor, for example, disc and / or annular holding elements is arranged, wherein the holding elements are spaced apart in the direction of the longitudinal extent of the axis of rotation of the rotor. On the inclination of one of the holding elements as in the known swash plate heat engine can be dispensed with advantage.
Wie zuvor bereits angedeutet, ist es besonders bevorzugt, wenn Mittel zur Umwandlung der vom Formgedächtniselement an der definierten Umfangsposition abgegebenen Energie in eine andere Energieform, beispielsweise in elektrische Energie vorgesehen sind und/oder wenn Mittel zur Umwandlung der, vorzugsweise linearen, Entspannungsbewegung eines ein Federelement umfassenden Energiespeichers in eine Rotationsbewegung vorgesehen sind. Hierzu eignet sich beispielsweise ein Kurbeltrieb.As already indicated above, it is particularly preferred if means for converting the energy emitted by the shape memory element at the defined circumferential position into another energy form, for example electrical energy, are provided and / or if means for converting the, preferably linear, relaxation movement of a spring element comprehensive energy storage are provided in a rotational movement. For this purpose, for example, a crank mechanism is suitable.
Damit der Rotor das Formgedächtniselement von der Wärmesenke zur Wärmequelle in Umfangsrichtung transportieren kann, muss der Rotor in Umfangsrichtung angetrieben werden. Dies kann beispielsweise mit einem von der Wärmekraftmaschine vollkommen autarken, separaten Antriebsmotor, beispielsweise einem Elektromotor oder einer Brennkraftmaschine erfolgen, wobei der Antrieb von einer irgendwie gearteten, separaten Energiequelle gespeist wird. Es ist auch denkbar, eine, insbesondere mechanische oder elektrische, Rückkopplung zu realisieren, dergestalt, dass der Rotor bzw. der Antrieb des Rotors mit Energie versorgt wird, die aus der Entspannung des Formgedächtniselementes bzw. aus dem Energiespeicher stammt. So ist es beispielsweise denkbar, dass mittels der Wärmekraftmaschine ein Generator angetrieben wird, der elektrische Energie erzeugt, die entweder direkt, oder beispielsweise über eine Batterie zwischengespeichert einen elektromotorischen Antrieb für den Rotor versorgt. Alternativ ist auch eine mechanische Rückkopplung, beispielsweise über einen Kurbeltrieb und/oder ein Getriebe realisierbar.In order for the rotor to be able to transport the shape memory element from the heat sink to the heat source in the circumferential direction, the rotor has to be driven in the circumferential direction. This can be done, for example, with a completely self-sufficient by the heat engine, separate drive motor, such as an electric motor or an internal combustion engine, the drive is powered by some kind of separate energy source. It is also conceivable to realize a, in particular mechanical or electrical, feedback, in such a way that the rotor or the drive of the rotor is supplied with energy which originates from the relaxation of the shape memory element or from the energy store. Thus, for example, it is conceivable that by means of the heat engine, a generator is driven, which generates electrical energy, which supplies either directly, or stored for example via a battery an electric motor drive for the rotor. Alternatively, a mechanical feedback, for example via a crank mechanism and / or a transmission can be realized.
Im Hinblick auf die Ausgestaltung des Formgedächtniselementes gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Ganz besonders bevorzugt ist es, das Formgedächtniselement aus Metall, also einer metallischen Formgedächtnislegierung, auszubilden. Zusätzlich oder alternativ können so genannte Formgedächtnispolymere zum Einsatz kommen.With regard to the configuration of the shape memory element, there are different possibilities. It is very particularly preferred to form the shape memory element made of metal, that is to say a metallic shape memory alloy. Additionally or alternatively, so-called shape memory polymers can be used.
Wie bereits angedeutet, ist es besonders bevorzugt, wenn der Rotor eine Vielzahl von Formgedächtniselementen aufweist, die vorzugsweise gleichmäßig in Umfangsrichtung beabstandet sind. Dabei ist sowohl eine Ausführungsform realisierbar, bei der sämtliche, den Formgedächtniselementen zugeordnete Energiespeicher ihre Energie an der selben definierten Umfangsposition des Rotors abgeben, oder an unterschiedlichen, vorzugsweise in Umfangsrichtung beabstandeten, Positionen. Letzteres kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass Formgedächtniselemente auf zwei konzentrischen Kreisringen angeordnet sind und die Auslösepositionen in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung beabstandet sind. Ganz besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Entladung der Energiespeicher an unterschiedlichen Positionen zeitgleich erfolgt und beispielsweise gemeinsam eine Nockenwelle mit unterschiedlich orientierten Nocken angetrieben wird.As already indicated, it is particularly preferred if the rotor has a multiplicity of shape-memory elements, which are preferably uniformly spaced in the circumferential direction. In this case, both an embodiment can be realized in which all, the shape memory elements associated energy storage deliver their energy at the same defined circumferential position of the rotor, or at different, preferably circumferentially spaced, positions. The latter can for example be realized in that shape memory elements are arranged on two concentric circular rings and the trigger positions are spaced in the radial direction and / or in the circumferential direction. It is very particularly preferred if the discharge of the energy store takes place at different positions at the same time and, for example, together a camshaft is driven with differently oriented cams.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die maximale Temperatur in der Wärmequelle während des Betriebs der Wärmekraftmaschine geringer ist als 100°C und vorzugsweise höher ist als 80°C und/oder dass die Temperatur der Wärmesenke geringer ist als 60°C, so dass auch Abwärme von stehenden Prozessen, beispielsweise Abwärme von Kraftwerken oder Verbrennungsmotoren zum Antreiben der Wärmekraftmaschine bzw. zum Erwärmen der Wärmequelle genutzt werden kann. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Wärmequelle von einem Wasserbad realisiert ist und/oder die Wärmesenke von einem Luftbad, vorzugsweise mit Umgebungstemperatur. Um die Verdunstung des Wassers in der Wärmesenke zu beschleunigen, kann beispielsweise ein künstlicher Luftstrom, insbesondere mittels mindestens eines Lüfterrades, erzeugt werden.It is particularly useful if the maximum temperature in the heat source during operation of the heat engine is less than 100 ° C and preferably higher than 80 ° C and / or that the temperature of the heat sink is less than 60 ° C, so that waste heat from stationary processes, such as waste heat from power plants or internal combustion engines for driving the heat engine or for heating the heat source can be used. It is very particularly preferred if the heat source is realized by a water bath and / or the heat sink is from an air bath, preferably at ambient temperature. To accelerate the evaporation of the water in the heat sink, for example, an artificial air flow, in particular by means of at least one fan wheel, are generated.
Die Erfindung führt auch auf ein System, umfassend mindestens eine wie zuvor beschrieben ausgebildete Wärmekraftmaschine. Dabei können auch mehrere Wärmekraftmaschinen vorgesehen werden. Die mindestens eine Wärmekraftmaschine treibt dabei mindestens eine Vorrichtung an, beispielsweise einen Generator, eine Pumpe oder ein Fahrzeug, etc.The invention also leads to a system comprising at least one heat engine designed as described above. In this case, several heat engines can be provided. The at least one heat engine drives at least one device, for example a generator, a pump or a vehicle, etc.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings.
Diese zeigen in:These show in:
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In the figures, like elements and elements having the same function are denoted by the same reference numerals.
Die
Der Rotor
Zwischen den Halteelementen
Mit ihrem jeweiligen in der Zeichnungsebene linken Ende sind die Formgedächtniselemente
Wird nun der Rotor
Durch Eintauchen in heißes Wasser, von beispielsweise etwa 90°C, also durch Eintauchen in die Wärmequelle
Kurz bevor die Formgedächtniselemente
Nach der Entladung werden die Formgedächtniselemente
Lediglich der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Formgedächtniselemente
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- WärmekraftmaschineHeat engine
- 22
- Rotorrotor
- 33
- Drehachseaxis of rotation
- 44
- Wärmequelleheat source
- 55
- Wärmesenkeheat sink
- 66
- Halteelementeretaining elements
- 77
- Halteelementeretaining elements
- 88th
- Wellewave
- 99
- FormgedächtniselementeShape memory elements
- 1010
- Stangepole
- 1111
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 1212
- Federfeather
- 1313
- Energiespeicherenergy storage
- 1414
- Widerlagerabutment
- 1515
- Blockiermittelblocking agent
- 1616
- RingbahnRingbahn
- 1717
- Rollenroll
- 1818
- Positionposition
- 1919
- Angriffsflächeattack surface
- 2020
- Teilpart
- 2121
- Kurbeltriebcrankshaft
- 2222
- Achseaxis
- 2323
- Kurbelcrank
- 2424
- Radwheel
- 2525
- StabRod
- 2626
- Lochhole
- 2727
- EndeThe End
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19810639 A1 [0005] DE 19810639 A1 [0005]
- DE 19810640 C2 [0005] DE 19810640 C2 [0005]
- EP 0919717 A1 [0005] EP 0919717 A1 [0005]
Claims (14)
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Citations (3)
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---|---|---|---|---|
DE19810639A1 (en) | 1997-11-27 | 1999-06-02 | Fachhochschule Konstanz Hochsc | Drive device with an element formed from a shape memory alloy and its use |
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19810639A1 (en) | 1997-11-27 | 1999-06-02 | Fachhochschule Konstanz Hochsc | Drive device with an element formed from a shape memory alloy and its use |
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DE19810640C2 (en) | 1997-11-27 | 2000-01-13 | Fachhochschule Konstanz Hochsc | Drive device with an element formed from a shape memory alloy and its use |
DE10108468A1 (en) * | 2001-02-22 | 2002-09-05 | Xcellsis Gmbh | Method to exploit the use of wasted heat from vehicle engine cooling system, uses heat to convert into mechanical or electrical energy, employs heat engine based on shape memory alloy |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021213933A1 (en) * | 2020-04-20 | 2021-10-28 | Universität des Saarlandes | Energy converter having a thermoelastic converter arrangement and method for producing a thermoelastic converter arrangement for an energy converter |
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